Per l’esecuzione di prove di trazione al fine di ricavare i parametri elasto-plastici di materiali ingegneristici è stata realizzata un’attrezzatura di carico ad hoc [3.1, 3.2]. La motivazione che ha portato a tale necessità è l’inadeguatezza delle macchine di prova standard a lavorare bene con un interferometro speckle, come quello utilizzato per la misura degli spostamenti delle superfici analizzate. Come affermato in precedenza, infatti, nelle attrezzature di carico classiche il provino è collegato ad una parte fissa ed una traversa mobile che, traslando, imprime il carico di trazione/compressione (o
lo spostamento) desiderato al provino. Quest’ultimo, quindi, subirà nel migliore dei casi una traslazione rigida lungo la direzione di applicazione del carico pari alla metà dello spostamento impresso alla traversa. Tale evenienza è particolarmente sconveniente dal momento che traslazioni rigide nel piano della superficie dell’oggetto analizzato generano una decorrelazione uniforme di tutto il campo speckle diffratto dalla superficie (Capitolo 2) producendo quindi del rumore che potrebbe portare anche alla completa perdita delle informazioni ricercate. Inoltre, nelle macchine di prova standard, un altro problema è quello delle vibrazioni derivanti dall’utilizzo di attuatori idraulici, vibrazioni che rappresentano sempre un disturbo da evitare quando si opera con tecniche ad elevata sensibilità come l’interferometria speckle. L’attrezzatura progettata e realizzata durante questo lavoro di tesi consente di superare i suddetti problemi. Essa è stata pensata per lavorare sul banco ottico ed è costituita da due bracci mobili azionati separatamente per mezzo di due attuatori lineari HIWIN modello LAS3-1 [3.3] (Figura 3.1).
Figura 3.1: Attuatore lineare HIWIN modello LAS3-1.
Tali attuatori permettono di applicare una forza massima sia in trazione che in compressione di 1200 N, garantendo però la forza di mantenimento, anche se non alimentati, fino a 800 N. La velocità di avanzamento dell’attuatore è compresa tra 8 e 12 mm/s, a seconda del carico applicato, mentre la corsa massima è pari a 150 mm. L’attuatore è costituito da un motore elettrico con l’albero accoppiato tramite vite senza fine; la rotazione dell’albero del motore (in un verso o in quello opposto) avviene quando quest’ultimo è alimentato ad una tensione di ±24 V. E’ inoltre
avanzamento: ciò naturalmente comporta una variazione della corrente richiesta dal motore e della forza che l’attuatore riesce a sviluppare, in maniera proporzionale alla variazione di tensione. La possibilità di variare la tensione di alimentazione si è resa necessaria per il motivo riportato di seguito. Si tenga presente che l’avanzamento dei motori a corrente continua dipende dal valore della tensione di alimentazione (che come detto determina la velocità del pistone) e dal tempo per il quale questa è applicata. Non potendo ridurre al di sotto di un certo livello il tempo di alimentazione (50 ms), al fine di evitare che per carichi bassi lo spostamento minimo degli attuatori non fosse già troppo grande da generare la decorrelazione del campo speckle, si è reso necessario poter agire anche sul valore della tensione.
Figura 3.2: Velocità di avanzamento dell’attuatore elettro-meccanico in funzione del carico resistente.
Le due estremità dei motori sono fissate da un lato su due colonne ad elevato smorzamento interno mentre dall’altra su una leva che trasferisce il carico al provino. Tale leva, incernierata su di una forcella fissata al telaio, consente di amplificare il carico e deamplificare lo spostamento di un fattore pari circa a 12.3; la forma e le dimensioni sono state scelte, sulla base di simulazioni numeriche agli elementi finiti, eseguite in ambiente Patran [3.4], in modo da sostenere i carichi in gioco e minimizzare il peso. La Figura 3.3 mostra il modello solido utilizzato nelle simulazioni, nel quale sono stati utilizzati prevalentemente elementi Brick ad 8 nodi; per il materiale si è impostato un comportamento elastico e lineare. Si noti che per le leve di carico si è eseguita una progettazione essenzialmente a tensione, non essendo, nel caso in esame, importante che tali elementi presentassero una rigidezza particolare. La Figura 3.4 mostra i vincoli impostati nelle simulazioni; si noti come siano stati utilizzati i cosiddetti MPC (Multiple Point Constraint) che consentono di
simulare il comportamento di una cerniera. Il carico, invece, è stato applicato sotto forma di forza concentrata (800 N) in corrispondenza del punto dove il motore è fissato (Figura 3.3).
Figura 3.3: Modello agli elementi finiti della leva di carico.
Se si visualizzano le tensioni di von Mises sulla leva di carico (Figura 3.5) si può notare come ovunque la tensione sia minore di 330 MPa, eccetto che nelle zone di applicazione del carico e dei vincoli, in cui si verificano delle concentrazioni degli sforzi. Tuttavia questo non è da considerarsi un problema in quanto si può affermare che, nelle suddette aree, il modello non rispecchia esattamente le condizioni reali di vincolo e carico. Una simulazione più rigorosa, infatti, pervaderebbe lo studio dei fenomeni di contatto, situazione che sicuramente avrebbe portato il valore delle tensioni in quei punti ad un livello molto più basso e veritiero.
Figura 3.5: Tensioni secondo von Mises agenti nella leva di carico.
Il provino, che assume una posizione verticale, è fissato alle leve mediante opportuni snodi sferici e forcelle al fine di evitare sollecitazioni spurie di flessione e torsione. In Figura 3.6 è mostrata l’attrezzatura di carico completa, con i vari componenti discussi finora messi in evidenza. In particolare, da un lato il provino verrà collegato con un nodo sferico ed una forcella [3.5], fissati tra di loro con una cella di carico miniaturizzata dell’HBM modello U9B [3.6] (fondoscala 10 kN, sensibilità 1 mV/V), mostrata in Figura 3.7. Dall’altro lato il provino viene fissato alla seconda leva mediante due forcelle con gli assi del perno di fissaggio formanti un angolo di 90°; fra le suddette forcelle è stata inserita un’altra cella di carico uguale alla precedente. Questa soluzione, mostrata in Figura 3.8, consente di ottenere due bracci di carico della medesima dimensione e approssimativamente della stessa rigidezza; di conseguenza, imponendo ad essi gli stessi spostamenti tramite gli attuatori lineari il
piano medio del provino lungo la direzione di applicazione del carico non subisce spostamenti apprezzabili, a patto ovviamente che anche il provino risulti simmetrico. Tale circostanza è particolarmente vantaggiosa se gli spostamenti vengono misurati, come nel caso del presente lavoro, mediante interferometria speckle, dal momento che per questo tipo di tecniche i moti rigidi sono particolarmente dannosi per la qualità delle misure.
Figura 3.6: Attrezzatura di carico.
Figura 3.7: Cella di carico miniaturizzata.
Figura 3.8: Sistema di fissaggio del provino.
Si noti, inoltre, che il sistema adottato, costituito da due piastroni indipendenti sui quali sono state montate le due parti speculari dell’attrezzatura, non vincola il provino ad assumere dimensioni prestabilite, dal momento che le piastre possono essere allontanate o avvicinate a piacimento, con spostamenti minimi di ½” (essendo questo il passo dei fori ricavati sui piastroni stessi, mentre il passo dei fori del banco ottico è pari ad 1”). Infine, si vuole mettere in evidenza come, nella progettazione dell’attrezzatura di carico si è fatta particolare attenzione al contenimento dei costi; in particolare gli attuatori elettro-meccanici sono dispositivi piuttosto economici che non possiedono alcun controllo in retroazione. Per questo motivo, allo stato attuale non è possibile eseguire, con il sistema di carico presentato, prove in controllo di spostamento. Le caratteristiche tecniche del sistema di carico sono riepilogate in Tabella 3.1.
Capacità di carico 10 kN
Spostamento massimo 25 mm
Attuatore elettromeccanico
Cella di carico estensimetrica
Orientamento provino orizzontale
Bracci mobili entrambi
Tabella 3.1: Caratteristiche tecniche dall’attrezzatura di carico.